nginx 限流配置

張衝andy發表於2019-06-21
Nginx

限流演算法

令牌桶演算法

令牌桶演算法

演算法思想是：

  • 令牌以固定速率產生，並快取到令牌桶中；
  • 令牌桶放滿時，多餘的令牌被丟棄；
  • 請求要消耗等比例的令牌才能被處理；
  • 令牌不夠時，請求被快取。

漏桶演算法

漏桶演算法

演算法思想是：

  • 水（請求）從上方倒入水桶，從水桶下方流出（被處理）；
  • 來不及流出的水存在水桶中（緩衝），以固定速率流出；
  • 水桶滿後水溢位（丟棄）。
  • 這個演算法的核心是：快取請求、勻速處理、多餘的請求直接丟棄。
    相比漏桶演算法，令牌桶演算法不同之處在於它不但有一隻“桶”，還有個佇列，這個桶是用來存放令牌的，佇列才是用來存放請求的。

從作用上來說，漏桶和令牌桶演算法最明顯的區別就是是否允許突發流量(burst)的處理，漏桶演算法能夠強行限制資料的實時傳輸（處理）速率，對突發流量不做額外處理；而令牌桶演算法能夠在限制資料的平均傳輸速率的同時允許某種程度的突發傳輸。

Nginx按請求速率限速模組使用的是漏桶演算法，即能夠強行保證請求的實時處理速度不會超過設定的閾值。

Nginx官方版本限制IP的連線和併發分別有兩個模組：

  • limit_req_zone  用來限制單位時間內的請求數，即速率限制,採用的漏桶演算法 "leaky bucket"。
  • limit_req_conn  用來限制同一時間連線數，即併發限制。

limit_req_zone 引數配置 

Syntax: limit_req zone=name [burst=number] [nodelay];
Default:    —
Context:    http, server, location

limit_req_zone $binary_remote_addr zone=one:10m rate=1r/s;

  • 第一個引數：$binary_remote_addr 表示通過remote_addr這個標識來做限制，“binary_”的目的是縮寫記憶體佔用量，是限制同一客戶端ip地址。
  • 第二個引數：zone=one:10m表示生成一個大小為10M，名字為one的記憶體區域，用來儲存訪問的頻次資訊。
  • 第三個引數：rate=1r/s表示允許相同標識的客戶端的訪問頻次，這裡限制的是每秒1次，還可以有比如30r/m的。

limit_req zone=one burst=5 nodelay;

  • 第一個引數：zone=one 設定使用哪個配置區域來做限制，與上面limit_req_zone 裡的name對應。
  • 第二個引數：burst=5，重點說明一下這個配置，burst爆發的意思，這個配置的意思是設定一個大小為5的緩衝區當有大量請求（爆發）過來時，超過了訪問頻次限制的請求可以先放到這個緩衝區內。
  • 第三個引數：nodelay，如果設定，超過訪問頻次而且緩衝區也滿了的時候就會直接返回503，如果沒有設定，則所有請求會等待排隊。

例子： 

http {
    limit_req_zone $binary_remote_addr zone=one:10m rate=1r/s;
    server {
        location /search/ {
            limit_req zone=one burst=5 nodelay;
        }
}

下面配置可以限制特定UA（比如搜尋引擎）的訪問： 

limit_req_zone  $anti_spider  zone=one:10m   rate=10r/s;
limit_req zone=one burst=100 nodelay;
if ($http_user_agent ~* "googlebot|bingbot|Feedfetcher-Google") {
    set $anti_spider $http_user_agent;
}

其他引數 

Syntax: limit_req_log_level info | notice | warn | error;
Default:    
limit_req_log_level error;
Context:    http, server, location

當伺服器由於limit被限速或快取時，配置寫入日誌。延遲的記錄比拒絕的記錄低一個級別。例子： limit_req_log_level notice 延遲的的基本是info。 

Syntax: limit_req_status code;
Default:    
limit_req_status 503;
Context:    http, server, location

設定拒絕請求的返回值。值只能設定 400 到 599 之間。

ngx_http_limit_conn_module 引數配置

這個模組用來限制單個IP的請求數。並非所有的連線都被計數。只有在伺服器處理了請求並且已經讀取了整個請求頭時，連線才被計數。 

Syntax: limit_conn zone number;
Default:    —
Context:    http, server, location

limit_conn_zone $binary_remote_addr zone=addr:10m;
server {
    location /download/ {
        limit_conn addr 1;
    }

一次只允許每個IP地址一個連線。 

limit_conn_zone $binary_remote_addr zone=perip:10m;
limit_conn_zone $server_name zone=perserver:10m;
server {
    ...
    limit_conn perip 10;
    limit_conn perserver 100;
}

可以配置多個limit_conn指令。例如，以上配置將限制每個客戶端IP連線到伺服器的數量，同時限制連線到虛擬伺服器的總數。 

Syntax: limit_conn_zone key zone=name:size;
Default:    —
Context:    http

limit_conn_zone $binary_remote_addr zone=addr:10m;

在這裡，客戶端IP地址作為關鍵。請注意，不是 $ remote_addr ，而是使用 $ binary_remote_addr 變數。  $ remote_addr 變數的大小可以從7到15個位元組不等。儲存的狀態在32位平臺上佔用32或64位元組的記憶體，在64位平臺上總是佔用64位元組。對於IPv4地址， $ binary_remote_addr 變數的大小始終為4個位元組，對於IPv6地址則為16個位元組。儲存狀態在32位平臺上始終佔用32或64個位元組，在64位平臺上佔用64個位元組。一個兆位元組的區域可以保持大約32000個32位元組的狀態或大約16000個64位元組的狀態。如果區域儲存耗盡，伺服器會將錯誤返回給所有其他請求。 

Syntax: limit_conn_log_level info | notice | warn | error;
Default:    
limit_conn_log_level error;
Context:    http, server, location

當伺服器限制連線數時，設定所需的日誌記錄級別。 

Syntax: limit_conn_status code;
Default:    
limit_conn_status 503;
Context:    http, server, location

設定拒絕請求的返回值。

實戰

例項一 限制訪問速率 

limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s;
server { 
    location / { 
        limit_req zone=mylimit;
    }
}

上述規則限制了每個IP訪問的速度為2r/s，並將該規則作用於根目錄。如果單個IP在非常短的時間內併發傳送多個請求，結果會怎樣呢？
單個IP 10ms內傳送6個請求

我們使用單個IP在10ms內發併傳送了6個請求，只有1個成功，剩下的5個都被拒絕。我們設定的速度是2r/s，為什麼只有1個成功呢，是不是Nginx限制錯了？當然不是，是因為Nginx的限流統計是基於毫秒的，我們設定的速度是2r/s，轉換一下就是500ms內單個IP只允許通過1個請求，從501ms開始才允許通過第二個請求。

例項二 burst快取處理

我們看到，我們短時間內傳送了大量請求，Nginx按照毫秒級精度統計，超出限制的請求直接拒絕。這在實際場景中未免過於苛刻，真實網路環境中請求到來不是勻速的，很可能有請求“突發”的情況，也就是“一股子一股子”的。Nginx考慮到了這種情況，可以通過burst關鍵字開啟對突發請求的快取處理，而不是直接拒絕。
來看我們的配置： 

limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s;
server { 
    location / { 
        limit_req zone=mylimit burst=4;
    }
}

我們加入了burst=4，意思是每個key(此處是每個IP)最多允許4個突發請求的到來。如果單個IP在10ms內傳送6個請求，結果會怎樣呢？
設定burst

相比例項一成功數增加了4個，這個我們設定的burst數目是一致的。具體處理流程是：1個請求被立即處理，4個請求被放到burst佇列裡，另外一個請求被拒絕。通過burst引數，我們使得Nginx限流具備了快取處理突發流量的能力。

但是請注意：burst的作用是讓多餘的請求可以先放到佇列裡，慢慢處理。如果不加nodelay引數，佇列裡的請求不會立即處理，而是按照rate設定的速度，以毫秒級精確的速度慢慢處理。

例項三 nodelay降低排隊時間

例項二中我們看到，通過設定burst引數，我們可以允許Nginx快取處理一定程度的突發，多餘的請求可以先放到佇列裡，慢慢處理，這起到了平滑流量的作用。但是如果佇列設定的比較大，請求排隊的時間就會比較長，使用者角度看來就是RT變長了，這對使用者很不友好。有什麼解決辦法呢？nodelay引數允許請求在排隊的時候就立即被處理，也就是說只要請求能夠進入burst佇列，就會立即被後臺worker處理，請注意，這意味著burst設定了nodelay時，系統瞬間的QPS可能會超過rate設定的閾值。nodelay引數要跟burst一起使用才有作用。

延續例項二的配置，我們加入nodelay選項： 

limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s;
server { 
    location / { 
        limit_req zone=mylimit burst=4 nodelay;
    }
}

單個IP 10ms內併發傳送6個請求，結果如下：
設定burst和nodela

跟例項二相比，請求成功率沒變化，但是總體耗時變短了。這怎麼解釋呢？例項二中，有4個請求被放到burst佇列當中，工作程式每隔500ms(rate=2r/s)取一個請求進行處理，最後一個請求要排隊2s才會被處理；例項三中，請求放入佇列跟例項二是一樣的，但不同的是，佇列中的請求同時具有了被處理的資格，所以例項三中的5個請求可以說是同時開始被處理的，花費時間自然變短了。

但是請注意，雖然設定burst和nodelay能夠降低突發請求的處理時間，但是長期來看並不會提高吞吐量的上限，長期吞吐量的上限是由rate決定的，因為nodelay只能保證burst的請求被立即處理，但Nginx會限制佇列元素釋放的速度，就像是限制了令牌桶中令牌產生的速度。

看到這裡你可能會問，加入了nodelay引數之後的限速演算法，到底算是哪一個“桶”，是漏桶演算法還是令牌桶演算法？當然還算是漏桶演算法。考慮一種情況，令牌桶演算法的token為耗盡時會怎麼做呢？由於它有一個請求佇列，所以會把接下來的請求快取下來，快取多少受限於佇列大小。但此時快取這些請求還有意義嗎？如果server已經過載，快取佇列越來越長，RT越來越高，即使過了很久請求被處理了，對使用者來說也沒什麼價值了。所以當token不夠用時，最明智的做法就是直接拒絕使用者的請求，這就成了漏桶演算法。

示例四 自定義返回值 

limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s;
server { 
    location / { 
        limit_req zone=mylimit burst=4 nodelay;
        limit_req_status 598;
    }
}

預設情況下 沒有配置 status 返回值的狀態：
沒有配置 status
自定義 status 返回值的狀態：
自定義返回值

參考文件

Nginx限制訪問速率和最大併發連線數模組--limit (防止DDOS攻擊)
Nginx 限流
關於nginx的限速模組
Nginx 原始碼筆記 - HTTP 模組 - 流控
Module ngx_http_limit_conn_module
Module ngx_http_limit_req_module
Nginx限速模組初探


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